單通道光纖旋轉連接器內部耦合損耗的分配優化設計研究

鄔華春，姚 志，任俊鵬，薛紅杰

(西安航空學院 理學院，西安 710077)

0 引言

1966年英籍華人高錕(Charles Kao)著文，提出用石英制作玻璃絲(光纖)，其損耗為20 dB/km，可實現大容量的光纖通信。隨著通信用半導體激光器的誕生，光纖通信得到了快速發展[1]。現如今，光纖通信已成為信息社會不可缺少的神經系統。在使用光纖進行通訊的過程中，一些場合需要實現兩個相對轉動結構部分之間的信號傳輸。為了解決這種需求，國外率先研制出了光纖旋轉連接器(Fiber Optic Rotary Joint，FORJ)[2-3](也稱光纖滑環)。

在使用光纖旋轉連接器傳輸光信號的過程中，插入損耗(簡稱插損)是重點關注的性能指標之一。為提高光纖旋轉連接器的傳輸光信號傳輸性能，在理論分析三種耦合耗損的基礎上，提出了一套三種耦合耗損占比的優化分配方案，通過實驗，證實了這一方案可以有效地提高光纖旋轉連接器的光信號傳輸性能。

1 光纖準直器的三種耦合損耗[4-8]

光纖旋轉連接器的工作原理是基于高斯光束的空間高效率耦合。光場分布為Q1的高斯光束與Q2的高斯光束耦合效率為式(1)：

(1)

為了實現兩束光之間的耦合傳輸，首先想到的是采用光纖直接耦合，但光纖直接耦合的方式對機械精度要求太高，因此一般都采用光纖準直器將光進行擴束以后再進行耦合，以降低對機械精度的要求。光纖準直器能夠將光進行擴束是基于梯度折射率透鏡來實現的。

一對光纖準直器進行光的耦合時，會產生附加損耗。而光纖準直器由裝配引起的三種誤差，即離軸偏差、角度偏差和軸向偏差決定了附加損耗的大小。

1.1 離軸偏差損耗

離軸偏差是指兩個光纖準直器的光軸平行且有一定的間距X0產生的偏差，圖1是光纖準直器離軸偏差示意圖。

圖1 光纖準直器離軸偏差示意圖

經過推導式(1)，得到離軸偏差為X0時引起的耦合損耗為：

(2)

式中，n為自聚焦透鏡的中心折射率，A是自聚焦透鏡折射率變化的聚焦常數，λ為入射光的波長，ω0為單模光纖模場半徑。

1.2 角度偏差損耗

角度偏差是指裝配時兩個光纖準直器的光軸之間有一定的角度θ，圖2所示為兩光纖準直器的角度偏差。

圖2 兩準直器的角度偏差

經過推導式(1)得到角度偏差為θ時引起的耦合損耗為：

(3)

1.3 軸向偏差損耗

軸向偏差是指兩個光纖準直器的光軸重疊，但兩者有一定的間距Z產生的偏差，即裝配間距引起了軸向偏差，兩準直器的軸向偏差如圖3所示。

圖3 兩準直器的軸向偏差

經過推導式(1)，得出軸向偏差為Z時引起的損耗為：

(4)

2 分配優化

2.1 規律分析

當一對光纖準直器隨機進行耦合時,會出現上述的三種偏差。在使用光纖旋轉連接器時，使用者希望其插損越小越好。目前國外市場上銷售的單通道光纖旋轉連接器，插損指標也各有不同。因為插損大小沒有統一標準，所以參考指標參數相對突出的普林光電公司的產品，將單通道光纖旋轉連接器的插損目標值設定在小于2 dB的范圍內。為了得到較好的插損值，提高生產效率，需要對三種偏差的大小進行分配優化。優化分配之前，先討論分析三種偏差對插損的具體影響。

圖4三種偏差與損耗對應關系圖

觀察圖4，可以得出以下結論：

(1)離軸偏差要遠敏感于軸向偏差，在考慮這兩種偏差對插損的影響時，應優先考慮離軸偏差；

(2)因角度偏差與離軸偏差和軸向偏差的量綱不一致，無法直接比較，需要進一步分析。

為方便分析比較，分別選取三種損耗的部分數據點，列成表格，如表1～3所示。

表1 離軸偏差與離軸偏差損耗

表2 角度偏差與角度偏差損耗

表3 軸向偏差與軸向偏差損耗

(3)離軸偏差：通過表1和圖4 a可以看出，離軸偏差損耗隨著偏差的增大，會增加的越來越快。在不考慮其他因素時，要使插損小于2 dB，需將離軸偏差控制在0.14 mm內。

(4)角度偏差：通過表2和圖4b可以看出，角度偏差損耗隨著角度偏差的增大，會增加的越來越快，尤其是角度偏差大于0.08°。在不考慮其他因素時，要使插損小于2 dB，需將角度偏差控制在0.095°以內。這個要求標準已經很高，但僅僅滿足這一條件，無法保證目標值，需要進一步優化。

(5)軸向偏差：通過表3和圖4c分析可知，當軸向偏差大于50 mm以后，偏差損耗增長會加快。只考慮軸向偏差的影響，要使插損小于2 dB，需要控制軸向偏差小于80 mm。

比較離軸偏差與角度偏差，由于二者單位不一致，無法直接比較，作者提出的方法是將角度變化轉化為位置變化，統一單位后再進行比較。

選取市面上常見的光纖準直器(外形尺寸長度為13 mm)作為分析的基礎：當兩準直器耦合時，為簡化問題，假設固定一只準直器，調整另一只準直器，當兩支準直器的耦合角度偏差從0變到0.07°時，準直器尾部的移動距離為13×tan0.07 mm，約為0.016 mm，準直器越短則移動的距離越小。即當準直器尾部移動了0.016 mm時，就會產生約1 dB的耦合損耗，相比于離軸偏差的0.1 mm對應約1 dB，則可得出角度偏差相對于離軸偏差更為敏感。

2.2 針對單通道光纖旋轉連接器的內部損耗分配優化

插損對三種偏差的敏感程度不一，在控制插損時就可以按一定比例控制三種偏差損耗，即對三種耦合損耗進行優化分配。

光纖旋轉連接器的主要性能指標為插入損耗和插損旋轉變化量，為了實現插損≤2 dB、插損變化量≤1 dB這個目標，需要對三種損耗各自的大小進行嚴格控制。根據前面的數據和圖表，首先可以得出一個大致的范圍：角度偏差<0.095°、離軸偏差<0.14 mm、軸向偏差小于80 mm。在實際制作光纖旋轉連接器時，如果按照這個技術指標去設計各個零部件，無法保證插損小于2 dB和變化量小于1 dB，因此需要在分析各個損耗特性和考慮機械加工可行性的基礎上，對各個偏差損耗進行分配優化。根據上述了解到的各個損耗的特性，首先考慮準直器的角度偏差，其次考慮離軸偏差。對于軸向偏差，當兩準直器之間的工作距離小于10 mm時，可以忽略。

選取市面上質量較高的光纖準直器(點精度為0.3°，外形尺寸長度為13 mm，插損小于0.5 dB)搭配P4級精密軸承(P4級精度軸承的徑向跳動小于0.0025 mm)，作為優化的前提條件：

(1)準直器的點精度(指準直器出射光與準直器軸線之間的夾角)為0.3°，設在光纖旋轉連接器內部起定位作用的準直器長度為1 mm，則要校正準直器點精度所需活動距離為1×tan0.3=0.005 mm，那么兩光纖準直器之間的離軸距離取兩邊的極限情況為2×0.005=0.01 mm。

(2)光纖旋轉連接器總的插損要小于2 dB，準直器自身帶入的損耗記為0.5 dB，0.01 mm離軸距離對應的離軸損耗為0.01 dB，則允許角度偏差引起的損耗為1.49 dB，對應的角度偏差約為0.09°。

(3)光纖旋轉連接器的插損變化量要小于1 dB，考慮插損的變化量主要由兩準直器之間的角度偏差變化引起，因此1 dB對應的角度偏差約為0.07°。

為保證插損小于2 dB，兩準直器之間的角度偏差需要小于0.095°，而1 dB的插損變化量要求角度偏差控制在0.07°，綜合得到兩準直器之間的角度偏差應優化控制在0.07°以內。0.07°對機械加工的精度提出了很高的要求，使得加工的公差達到um級別。如果再進一步縮小角度偏差，加工的精度要求會進一步提升，超高的加工精度要求限制了產品的生產效率。經過權衡比對，將角度偏差優化控制在0.07°內。

綜上所述，為了實現插入損耗小于2 dB，插損變化量小于1 dB的目標，經過優化分析得到：角度偏差最為敏感，應控制在0.07°以內，實現起來有一定技術難度；離軸偏差控制在0.01 mm內，這個對機械加工的精度要求也是不低的；兩準直器之間的工作距離控制在10 mm內，即軸向偏差控制在10 mm內，這個精度實現起來無難度。

3 插入損耗和損耗變化量的測試

按照上述結論，選擇能夠滿足偏差要求的高精度加工機械設備，制成樣品，對樣品進行插損和損耗變化量測試。插損測試示意圖如圖5所示：

圖5 插損測試示意圖

測試設備為插回損測試儀，型號為JW8301。具體測試步驟如下：第一步：打開設備電源，在無光輸入的情況下，將光功率讀數清零；第二部：用酒精擦拭光纖旋轉連接器的接頭，一端接入光源，另一端接入光功率計，選擇光源的波長為1310 nm，儀器顯示插損為1.53 dB，轉動連接器360°，儀器插損值出現變化，最小值為1.42 dB，最大值為1.86 dB，則插損變化量為0.44 dB，試驗結果滿足插損和插損變化量目標值要求，證實優化分配方案可行。

4 結語

本文從高斯光束耦合的效率出發，利用推導出的光纖準直器的三種耦合損耗，將角度偏差轉為化為準直器的移動距離，在同一量綱下，比較了三種偏差對插損的影響效果。在此基礎上，為了制作插損小于2 dB、插損變化量小于1 dB的光纖旋轉連接器，對三種損耗的大小進行了細化分配，得到：

(1)角度偏差應控制在0.07°以內；

(2)離軸偏差控制在0.01 mm內；

(3)兩準直器之間的工作距離控制在10 mm內。

這些技術要求限制了光纖旋轉連接器的生產效率。為了研制高性能的光纖旋轉連接器，提高生產效率，滿足控制耦合損耗的要求，努力研制點精度高的準直器或者提高光纖的耦合效率、提高機械加工的精度，是研究人員應該努力的方向。